不同開關(guān)電源及電路摘要

線性電壓IC穩(wěn)壓器多年來一直是電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因?yàn)樗鼈兎浅Ｉ瞄L提供連續(xù)的固定電壓輸出。

線性穩(wěn)壓器通常更有效率比由齊納C和電阻器，晶體管甚至運(yùn)算放大器等分立元件制成的等效穩(wěn)壓器電路更易于使用。

目前最流行的線性和固定輸出電壓調(diào)節(jié)器類型是78 ...正輸出電壓系列，以及79 ...負(fù)輸出電壓系列。這兩種類型的互補(bǔ)電壓調(diào)節(jié)器可產(chǎn)生精確和穩(wěn)定的電壓輸出，范圍從約5伏到約24伏，適用于許多電子電路。

這些三端固定電壓范圍很廣每個(gè)穩(wěn)壓器都有自己的內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)和限流電路。這使我們能夠創(chuàng)建一整套不同的電源軌和輸出，單電源或雙電源，適用于大多數(shù)電子電路和應(yīng)用。甚至還有可變電壓線性穩(wěn)壓器，它提供的輸出電壓可以從零到零電壓輸出的低于零電壓連續(xù)變化。

大多數(shù)直流調(diào)節(jié)器。電源包括一個(gè)大而重的降壓電源變壓器，電阻整流，全波或半波，一個(gè)濾波電路，用于去除整流后的直流電壓。產(chǎn)生適當(dāng)光滑的d.c.電壓，以及某種形式的電壓調(diào)節(jié)器或穩(wěn)壓器電路，線性或開關(guān)，以確保在變化的負(fù)載條件下正確調(diào)節(jié)電源輸出電壓。然后一個(gè)典型的直接電源看起來像這樣：

典型的直流電源

這些典型的電源設(shè)計(jì)包含一個(gè)大型電源變壓器（也提供輸入和輸出之間的隔離）和一個(gè)耗散型串聯(lián)穩(wěn)壓器電路。穩(wěn)壓器電路可以由單個(gè)齊納二極管或三端線性串聯(lián)穩(wěn)壓器組成，以產(chǎn)生所需的輸出電壓。線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)是電源電路只需要一個(gè)輸入電容，輸出電容和一些反饋電阻來設(shè)置輸出電壓。

線性穩(wěn)壓器通過連續(xù)導(dǎo)通產(chǎn)生穩(wěn)壓直流輸出在輸入和輸出之間串聯(lián)的晶體管在其電流 - 電壓（iv）特性的線性區(qū)域（因此名稱）中操作它。因此，晶體管更像是一個(gè)可變電阻，它可以不斷調(diào)整自身，以保持正確的輸出電壓所需的任何值。考慮下面這個(gè)簡單的串聯(lián)傳輸晶體管穩(wěn)壓器電路：

串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓器電路

這里這個(gè)簡單的射極跟隨器穩(wěn)壓器電路由單個(gè)NPN晶體管和直流偏置電壓組成，用于設(shè)置所需的輸出電壓。由于射極跟隨器電路具有單位電壓增益，向晶體管基極施加合適的偏置電壓，從發(fā)射極端獲得穩(wěn)定的輸出。

由于晶體管提供電流增益，輸出負(fù)載電流將為如果使用達(dá)林頓晶體管排列，則遠(yuǎn)高于基極電流和更高的電壓。

此外，假設(shè)輸入電壓足夠高以獲得所需的輸出電壓，輸出電壓由晶體管控制在該示例中，基極電壓為5.7伏特，以產(chǎn)生向負(fù)載的5伏輸出，因?yàn)樵诨鶚O和發(fā)射極端子之間的晶體管上下降大約0.7伏特。然后，根據(jù)基極電壓的值，可以獲得任何發(fā)射極輸出電壓值。

雖然這個(gè)簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器電路可以工作，但其缺點(diǎn)是串聯(lián)晶體管在其中不斷偏置。由于所有負(fù)載電流必須通過串聯(lián)晶體管，因此線性區(qū)域由于其V * I產(chǎn)品而以熱量形式耗散功率，導(dǎo)致效率低下，功率浪費(fèi)和連續(xù)發(fā)熱。

此外，串聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器的一個(gè)缺點(diǎn)是，它們的最大連續(xù)輸出電流額定值僅限于幾安培左右，因此通常用于需要低功率輸出的應(yīng)用中。當(dāng)需要更高輸出電壓或電流電源時(shí)，通常的做法是使用通常稱為開關(guān)模式電源的開關(guān)穩(wěn)壓器將電源電壓轉(zhuǎn)換為所需的更高功率輸出。 / p>

開關(guān)電源或SMPS正在變得普遍，并且在大多數(shù)情況下已將傳統(tǒng)的線性交流 - 直流電源替換為減少功耗，減少散熱，以及尺寸和重量的方法。開關(guān)模式電源現(xiàn)在可以在大多數(shù)PC，功率放大器，電視，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等中找到，幾乎任何需要高效電源的電源都可以用作開關(guān)模式電源，這種電源正日益成為一種更為成熟的技術(shù)。

根據(jù)定義，開關(guān)模式電源（SMPS）是一種使用半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)的電源，而不是標(biāo)準(zhǔn)的線性方法來提供所需的輸出電壓?；鹃_關(guān)轉(zhuǎn)換器包括功率開關(guān)級和控制電路。功率開關(guān)級執(zhí)行從電路輸入電壓 V IN 到其輸出電壓 V OUT 包括輸出濾波。

與標(biāo)準(zhǔn)線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)模式電源的主要優(yōu)勢在于其更高的效率，這是通過在其“之間”內(nèi)部切換晶體管（或功率MOSFET）來實(shí)現(xiàn)的。 ON“狀態(tài)（飽和）及其”關(guān)閉“狀態(tài)（截止），兩者都產(chǎn)生較低的功耗。這意味著當(dāng)開關(guān)晶體管完全“導(dǎo)通”并傳導(dǎo)電流時(shí)，其上的電壓降處于其最小值，并且當(dāng)晶體管完全“關(guān)斷”時(shí)，沒有電流流過它。因此，晶體管就像一個(gè)理想的開關(guān)。

因此，與僅提供降壓穩(wěn)壓的線性穩(wěn)壓器不同，開關(guān)模式電源可以提供降壓，升壓和否定使用三種基本開關(guān)模式電路拓?fù)渲械囊环N或多種的輸入電壓：降壓，升壓和降壓 - 升壓。這是指晶體管開關(guān)，電感和平滑電容如何在基本電路中連接。

降壓開關(guān)電源

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是一種開關(guān)模式電源電路，設(shè)計(jì)用于有效地將DC電壓從較高電壓降低到較低電壓，即減去或“降低”電源電壓，從而降低輸出端子的可用電壓而不改變極性。換句話說，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是降壓穩(wěn)壓器電路，因此例如降壓轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為+12伏特至+5伏特。

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器是DC-to -DC轉(zhuǎn)換器和最簡單和最流行的開關(guān)穩(wěn)壓器之一。在開關(guān)模式電源配置中使用時(shí)，降壓開關(guān)穩(wěn)壓器使用串聯(lián)晶體管或功率MOSFET（理想情況下為絕緣柵雙極晶體管或IGBT）作為其主開關(guān)器件，如下所示。

降壓開關(guān)穩(wěn)壓器

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我們可以看到降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路配置是串聯(lián)晶體管開關(guān)， TR 1 ，帶有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)電路，使輸出電壓盡可能接近所需的電平，二極管， D 1 ，電感， L 1 和平滑電容， C 1 。降壓轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式，具體取決于開關(guān)晶體管 TR 1 是“ON”還是“OFF”。

當(dāng)晶體管被偏置為“ON”（開關(guān)閉合），二極管 D 1 變?yōu)榉聪蚱们逸斎腚妷?V IN 使電流流過電感器到輸出端的連接負(fù)載，對電容器充電， C 1 。根據(jù)法拉第定律，當(dāng)變化的電流流過電感線圈時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生反電流的反電動(dòng)勢，直到達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在電感周圍產(chǎn)生磁場， L 1 。只要 TR 1 關(guān)閉，這種情況就會(huì)無限期地持續(xù)。

當(dāng)晶體管 TR 1 “關(guān)閉”（開關(guān)打開），輸入電壓立即與發(fā)射器電路斷開，導(dǎo)致電感器周圍的磁場坍塌，從而在電感器兩端產(chǎn)生反向電壓。這種反向電壓使二極管變?yōu)檎蚱?，因此電感器磁場中存?chǔ)的能量迫使電流繼續(xù)以相同的方向流過負(fù)載，然后通過二極管返回。

然后電感， L 1 將其存儲(chǔ)的能量返回到作為源的負(fù)載并提供電流，直到所有電感的能量返回到電路或直到晶體管開關(guān)再次閉合為止，以先到者為準(zhǔn)。同時(shí)，電容器還向負(fù)載提供電流。電感和電容的組合形成一個(gè)LC濾波器，可以消除由晶體管開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的任何紋波。

因此，當(dāng)晶體管固態(tài)開關(guān)閉合時(shí)，從電源提供電流，并且當(dāng)晶體管開關(guān)斷開時(shí)，電感器提供電流。請注意，流過電感的電流始終在同一方向，直接來自電源或通過二極管，但顯然在開關(guān)周期內(nèi)的不同時(shí)間。

隨著晶體管開關(guān)不斷關(guān)閉因此，平均輸出電壓值將與占空比 D 相關(guān)，其被定義為在一個(gè)完整開關(guān)周期期間晶體管開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。如果 V IN 是電源電壓，晶體管開關(guān)的“ON”和“OFF”時(shí)間定義為： t ON 和 t OFF ，然后輸出電壓 V OUT 為：

降壓轉(zhuǎn)換器占空比

降壓轉(zhuǎn)換器的占空比也可以定義為：

因此占空比越大，開關(guān)電源的平均直流輸出電壓越高。由此我們還可以看到輸出電壓始終低于輸入電壓，因?yàn)檎伎毡?D 永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到1（單位），從而產(chǎn)生降壓穩(wěn)壓器。通過改變占空比獲得電壓調(diào)節(jié)，并且在高達(dá)200kHz的高開關(guān)速度下，可以使用更小的元件，從而大大降低開關(guān)模式電源的尺寸和重量。

降壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是電感 - 電容（LC）布置提供非常好的電感器電流濾波。理想情況下，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)以連續(xù)開關(guān)模式工作，以使電感電流不會(huì)降至零。理想的元件，即“導(dǎo)通”狀態(tài)下的零電壓降和開關(guān)損耗，理想的降壓轉(zhuǎn)換器可以提供高達(dá)100％的效率。

以及降壓降壓開關(guān)穩(wěn)壓器開關(guān)電源的基本設(shè)計(jì)，基本開關(guān)穩(wěn)壓器的另一個(gè)操作，作為升壓穩(wěn)壓器，稱為升壓轉(zhuǎn)換器。

升壓開關(guān)模式電源

升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是另一種開關(guān)模式電源電路。它具有與前一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器相同類型的組件，但這次是在不同的位置。升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)用于將DC電壓從較低電壓增加到較高電壓，即增加或“提升”電源電壓，從而增加輸出端子處的可用電壓而不改變極性。換句話說，升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是升壓調(diào)節(jié)器電路，因此例如升壓轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為+5伏特至+12伏特。

我們之前看到降壓開關(guān)穩(wěn)壓器使用基本設(shè)計(jì)中的串聯(lián)開關(guān)晶體管。與升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)的不同之處在于它使用并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管來控制開關(guān)模式電源的輸出電壓。由于晶體管開關(guān)有效地與輸出并聯(lián)連接，當(dāng)晶體管被偏置為“關(guān)閉”（開關(guān)斷開）時(shí)，電能僅通過電感器傳遞到負(fù)載。

升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

在升壓轉(zhuǎn)換器電路中，當(dāng)晶體管開關(guān)完全導(dǎo)通時(shí)，來自電源的電能 V IN 通過電感和晶體管開關(guān)并返回電源。結(jié)果，由于飽和晶體管開關(guān)有效地產(chǎn)生輸出短路，所以它都沒有傳遞到輸出端。這增加了流過電感器的電流，因?yàn)樗哂休^短的內(nèi)部路徑以返回電源。同時(shí)，二極管 D 1 變?yōu)榉聪蚱?，因?yàn)槠潢枠O通過晶體管開關(guān)接地，輸出端的電壓電平在電容器開始放電時(shí)保持相當(dāng)穩(wěn)定負(fù)載。

當(dāng)晶體管完全關(guān)斷時(shí)，輸入電源現(xiàn)在通過串聯(lián)電感和二極管連接到輸出。隨著電感場減小，存儲(chǔ)在電感中的感應(yīng)能量被 V IN 通過現(xiàn)在的正向偏置二極管推向輸出。所有這一切的結(jié)果是電感器上的感應(yīng)電壓 L 1 反轉(zhuǎn)并增加輸入電源的電壓，增加了現(xiàn)在的總輸出電壓，<跨度> V <子> IN + V <子>→ 。

平滑電容器的電流 C 1 用于在晶體管開關(guān)閉合時(shí)為負(fù)載供電，現(xiàn)在通過輸入電源通過輸入電源返回到電容器二極管。然后，提供給電容器的電流是二極管電流，當(dāng)二極管通過晶體管的開關(guān)動(dòng)作在正向和反向狀態(tài)之間連續(xù)切換時(shí)，二極管電流將始終為ON或OFF。然后平滑電容必須足夠大，以產(chǎn)生平滑穩(wěn)定的輸出。

當(dāng)感應(yīng)電阻 L 1 的感應(yīng)電壓為負(fù)時(shí)，增加源電壓， V IN 迫使電感電流流入負(fù)載。升壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)態(tài)輸出電壓由下式給出：

與之前的降壓轉(zhuǎn)換器一樣，輸出電壓升壓轉(zhuǎn)換器取決于輸入電壓和占空比。因此，通過控制占空比，實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)節(jié)。還不是這個(gè)等式與電感，負(fù)載電流和輸出電容的值無關(guān)。

我們已經(jīng)看到，非隔離開關(guān)電源電路的基本操作可以使用降壓轉(zhuǎn)換器或升壓轉(zhuǎn)換器配置取決于我們是否需要降壓（降壓）或升壓（升壓）輸出電壓。雖然降壓轉(zhuǎn)換器可能是更常見的SMPS開關(guān)配置，但升壓轉(zhuǎn)換器通常用于電容電路應(yīng)用，例如電池充電器，閃光燈，閃光燈閃光燈等，因?yàn)殡娙萜髟陂_關(guān)閉合時(shí)提供所有負(fù)載電流。

但我們也可以將這兩種基本的開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)合到一個(gè)非隔離的開關(guān)穩(wěn)壓器電路中，不出所料地稱為降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器。

降壓-Boost開關(guān)穩(wěn)壓器

降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器是降壓轉(zhuǎn)換器和升壓轉(zhuǎn)換器的組合，可產(chǎn)生反相（負(fù)）輸出電壓，可以大于或小于比基于占空比的輸入電壓。降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器是升壓轉(zhuǎn)換器電路的一種變體，其中反相轉(zhuǎn)換器僅將電感器存儲(chǔ)的能量 L 1 傳遞到負(fù)載中?；窘祲?- 升壓開關(guān)模式電源電路如下所示。

降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器

當(dāng)晶體管開關(guān) TR 1 完全接通（閉合）時(shí)，電感兩端的電壓等于電源電壓，所以電感器存儲(chǔ)來自輸入電源的能量。沒有電流輸出到輸出端的連接負(fù)載，因?yàn)槎O管 D 1 是反向偏置的。當(dāng)晶體管開關(guān)完全關(guān)斷（開路）時(shí)，二極管變?yōu)檎蚱?，先前存?chǔ)在電感中的能量被傳遞到負(fù)載。

換句話說，當(dāng)開關(guān)處于“ON”狀態(tài)時(shí)，通過直流電源（通過開關(guān)）將能量輸送到電感器，并且沒有輸出到輸出，當(dāng)開關(guān)“關(guān)閉”時(shí)，電感器兩端的電壓反轉(zhuǎn)，因?yàn)殡姼衅鳜F(xiàn)在變成能量源，因此存儲(chǔ)能量以前在電感器中切換到輸出（通過二極管），沒有一個(gè)直接來自輸入直流電源。因此，當(dāng)開關(guān)晶體管“關(guān)閉”時(shí)，負(fù)載兩端的電壓下降等于電感電壓。

結(jié)果是反相輸出電壓的幅度可以更大或更?。ɑ虻扔冢┗谡伎毡鹊妮斎腚妷旱拇笮　＠?，正負(fù)降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器可將5伏轉(zhuǎn)換為12伏（升壓）或12伏轉(zhuǎn)至5伏（降壓）。

降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)態(tài)輸出電壓 V OUT 給出如下：

然后降壓 - 升壓穩(wěn)壓器的名稱來自產(chǎn)生更高的輸出電壓（如升壓功率級）或者更低（如降壓功率級）的幅度大于輸入電壓。但是，輸出電壓的極性與輸入電壓相反。

開關(guān)模式電源摘要

現(xiàn)代開關(guān)電源或SMPS使用固態(tài)開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換未調(diào)節(jié)的直流輸入電壓，在不同的電壓電平下調(diào)節(jié)和平滑的直流輸出電壓。輸入電源可以是來自電池或太陽能電池板的真實(shí)直流電壓，或來自使用二極管電橋的交流電源的整流直流電壓以及一些額外的電容濾波。

在許多電源控制應(yīng)用中，功率晶體管，MOSFET或IGFET在其開關(guān)模式下工作，如果它以高速反復(fù)“開”和“關(guān)”。這樣做的主要優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓器的功率效率可能非常高，因?yàn)榫w管要么完全導(dǎo)通，要么導(dǎo)通（飽和）或全截止（截止）。

有幾種DC-DC轉(zhuǎn)換器的類型（與逆變器的DC-AC轉(zhuǎn)換器相對）配置可用，這里看到的三個(gè)基本開關(guān)電源拓?fù)涫?Buck ， Boost 和降壓 - 升壓開關(guān)穩(wěn)壓器。所有這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是非隔離的，即它們的輸入和輸出電壓共用一條公共地線。

每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)在穩(wěn)態(tài)占空比，關(guān)系方面都有其獨(dú)特的性質(zhì)。輸入和輸出電流之間，以及固態(tài)開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的輸出電壓紋波。這些開關(guān)模式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)重要特性是開關(guān)動(dòng)作對輸出電壓的頻率響應(yīng)。

輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過開關(guān)晶體管所處時(shí)間的百分比控制來實(shí)現(xiàn)的。 “ON”狀態(tài)與總ON / OFF時(shí)間相比較。該比率稱為占空比，通過改變占空比，可以控制（ D 輸出電壓的大小， V OUT 。

在開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)中，使用單個(gè)電感器和二極管以及能夠在千赫茲范圍內(nèi)的開關(guān)頻率下工作的快速開關(guān)固態(tài)開關(guān)，允許尺寸和重量電源大大減少。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中不會(huì)有大而重的降壓（或升壓）電壓互感器。但是，如果輸入和輸出端子之間需要隔離，變壓器必須在轉(zhuǎn)換器之前包含。

兩種最流行的非隔離開關(guān)配置是降壓（減法）和升壓（加法）轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)電源，用于將電能從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)電壓。降壓轉(zhuǎn)換器用于工作串聯(lián)開關(guān)晶體管。作為占空比， D <1 ，降壓的輸出電壓始終小于輸入電壓， V IN 。

升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，旨在將電能從一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)更高的電壓。升壓轉(zhuǎn)換器使用并聯(lián)連接的開關(guān)晶體管工作，導(dǎo)致 V IN 和 V OUT 通過電感， L 1 和二極管， D 1 。這意味著輸出端沒有短路保護(hù)。

通過改變升壓轉(zhuǎn)換器的占空比（ D ），可以控制輸出電壓并使用 D <1 ，由于電感自感應(yīng)電壓，升壓轉(zhuǎn)換器的直流輸出大于輸入電壓 V IN 。

此外，假設(shè)開關(guān)模式電源中的輸出平滑電容非常大，這會(huì)在晶體管開關(guān)動(dòng)作期間從開關(guān)模式電源獲得恒定的輸出電壓。